2014-02-24
693
Тема 1-03-02. Системные уровни организации материи
(данная тема только для специальностей, в ГОС которых отсутствует биологический уровень организации материи)
Целостность природы
Системность природы
Аддитивные свойства систем (аддитивность)
Интегративные свойства систем (интегративность)
Совокупности, не являющиеся системами, например,
созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.
Иерархичность природных структур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят как подсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративными свойствами
Иерархические ряды природных систем:
- физических (фундаментальные частицы — составные элементарные частицы — атомные ядра — атомы — молекулы — макроскопические тела)
- химических (атом — молекула — макромолекула – вещество)
- астрономических (звёзды с их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскопления галактик)
Элементарные частицы
|
|
|
Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие
внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны) Решение:
Гравитон – квант гравитационного поля, переносчик гравитационного взаимодействия, – действительно не обнаружен экспериментально и не скоро будет обнаружен, поскольку для того, чтобы проявились квантовые свойства гравитационного поля, необходимы чудовищные условия, которые имели место разве что на заре существования Вселенной. Более актуален вопрос о существовании бозона Хиггса – гипотетической частицы, которая ответственна за появление масс у элементарных частиц, которые эту массу имеют. Именно с целью поисков бозона Хиггса были потрачены миллиарды на строительство новых мощных ускорителей элементарных частиц в Европе и США. Что же касается кварков и нейтрино, то эти частицы также вначале были предсказаны сугубо теоретически, и лишь спустя много лет их существование подтвердилось эмпирическими методами.
Частицы и античастицы
Классификация элементарных частиц:
- по участию во взаимодействиях: лептоны, адроны
- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон) и резонансы (нестабильные короткоживущие) Решение:
Элементарные частицы классифицируются, в основном, по свойственным им квантовым числам – таким характеристикам, которые могут принимать лишь некоторые дискретные значения. Примером является спин (по его значению все частицы делятся на фермионы и бозоны), электрический заряд и некоторые другие виды зарядов (лептонный, барионный, цветовой). Важной характеристикой, не являющейся квантовым числом, служит масса (покоя) частицы. Составные частицы также могут классифицироваться по количеству и природе их составляющих: например, частицы, состоящие из двух кварков, называют мезонами, а из трех кварков – барионами. Размеры и, тем более, форма элементарных частиц не являются удобными характеристиками, тем более, что для многих элементарных частиц, относящихся к группе фундаментальных, понятия размера и формы просто не имеют смысла. Массовое и зарядовое числа – это характеристики атомных ядер, номер в периодической таблице – химических элементов, реакционная способность – химических веществ, липидная оболочка – атрибут живых клеток.
|
|
|
Решение:
Свободный нейтрон в среднем через 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.
Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция) Решение:
По определению, античастица отличается от своей частицы противоположными знаками всех зарядов. Поэтому при аннигиляции сумма любых (например, электрических) зарядов образующихся частиц должна быть равна нулю. Это обстоятельство запрещает возникновение одного или нескольких протонов – ведь протон имеет ненулевой электрический заряд. Чаще всего при электрон-позитронной аннигиляции образуется два или несколько фотонов – истинно нейтральных частиц, все заряды которых равны нулю.
Решение:
Антипротон имеет электрический заряд, противоположный заряду протона, поэтому такой распад нарушал бы, как минимум, закон сохранения электрического заряда.
Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)
Вещество как совокупность корпускулярных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками)
Размеры и масса ядра в сравнении с атомом
Решение:
Атомное ядро представляет собой образование из нескольких сотен (максимум) вплотную прилегающих друг к другу протонов и нейтронов. Поэтому его размеры не более чем в несколько раз превышают размеры отдельного протона или нейтрона. По аналогичным соображениям невелико различие размеров атомов и неорганических молекул: ведь в состав последних входит небольшое число тесно прилегающих друг к другу атомов. Понятно, что различие размеров между разными неорганическими молекулами еще меньше. А вот размеры атома, определяемые радиусом его электронных оболочек, действительно, на много порядков больше размеров атомного ядра.
